文档介绍：步态建模与分析【精选文档】
步态建模与分析【精选文档】
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步态建模与分析
1 步态分析的基本理论与方法
1。1 步态研究的意义
行走是我们每个人日常生活的重要组成部分，所以对步态的各方面进行研究显得至关显的变化。
步长、步宽、步速、步频(图3。6），赵芳、陆爱云等采用速度/身高，步长/身高两个参数更准确地反映其变化。
步的周期跨距
时—空参数主要是髋关节、膝关节、踝关节的角度—时间关系（图3。7).戴尅戎［3］还分析了髋、膝、踝关节在平地常速行走时的角度—角度关系。
髋、膝、踝关节在冠状面、矢状面和水平面角度与时间的关系[30]
1。3。2步态的动力学特征
,运动轨迹为正弦波，垂直方向上的高度变化幅值约为5 cm。在水平面内表现为左右往复运动,轨迹同样形成正弦波[31］。
足-地接触力通常可按垂直、前后和左右方向做三维记录。行走时足一地接触力在垂直方向上的分力最大，在每个步态周期转折点出现极值,足跟着地时有一极大值，随足部逐渐放平，受力面积逐渐增大，受力减小，足部完全放平时受力达最小,至足跟离地，足趾登地时出现另一极大值，即在整个步态周期中,垂直方向受力曲线具有典型的对称双峰性质。正常人足一地接触力在水平、前后方向受力较小。且基本对称。
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Winter在前人成果的基础上，经过多年潜心研究基本建立了人体行走（走路),受力的方向不变，力的大小形似一条“双峰曲线"，虽然两峰值的大小随速度的改变而变化,但在正常行走时两力大小基本相同并占人体重量的110％左右。在前后方向上，受力的方向有所改变,在脚着地的前半段与人体运动方向相反，后半段与人体运动方向相同，前后方向两力最大值的大小基本一致并占体重。
的25%左右。左右方向上力的方向相同，力的大小约占体重的5%。
（a）Fx（t) （b）Fy（t）
（c）Fz（t)
步态分析实验中测得的受力曲线[32］
同时，经过相应的计算，可以得到关节力、关节力矩、关节功率、,这些都是可以直接得到的。从而，为步态分析过程中的各种判断提供依据。
由测力板进行测试后,可以对足部进行分区，一般分为如下九个区域：第一趾（T1)、第二到五趾（T2-5）、第一跖骨头（M1）、第二跖骨头(M2）、第三跖骨头（M3)、第四跖骨头（M4）、第五跖骨头（M5）、足跟内侧（HM）、足跟外侧（HL）。
通过测力板或者测力鞋垫只能得到地面反作用力,不能像测力台一样得到力的空间矢量。但是他们可以得到各个不同区域地面反作用力的值。同时，经过相应的计算还可以得到压强,冲量，接触面积，步态中各分段的时间，以及在一个步态周期中的足底的压力中心轨迹.
（a）足底的压力以及中心轨迹线 (b)压力的三维图 （c）足底的分区
（d)各区域压强随时间的变化曲线
步态分析实验中由测力板测得数据]
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。3步态的肌电信号特征
下肢肌较上肢肌粗大,这与维持直立姿势,、大腿肌、。在步行过程中，各关节会根据需要做屈伸运动,关节的屈伸是由不同的肌肉在步态的不同阶段收缩和舒张以及韧带共同作用的结果。其中肌肉的收缩会造成肌电信号的不同。通过肌电信号的采集测试，我们可以得到一个步态周期中各肌肉的活动情况（如表3。2)。
步态周期中各肌肉的活动
注：摘自泽村诚志
从解剖结构我们能知道不同肌肉对于各关节的不同屈伸运动所起到的作用,考虑到一般的实验均采用的是对人无害的表面肌电测试，故在步态的肌电测试中主要选择的肌肉如表3。3所示。
步态周期中表面肌电常选肌肉以及所对应的关节运动
关 节
主要运动
主要作用浅层肌肉
髋关节
屈
股直肌
伸
臀大肌、股二头肌
膝关节
屈
半腱肌（较小）、股二头肌
伸
股四头肌（股直肌）
踝关节
屈(跖屈)
腓肠肌
伸（背屈）
胫骨前肌
2 实验设备设备
统计表明，对步态的分析国内外己经进行了多方面的研究，内容虽各有不同，但就对步态的测试方面，使用的仪器和方法几